Báo cáo Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot hàn trr

Bài toán động học 2.1Thiết lập phương trình quỹ đạo theo yêu cầu 2.2Tính toán vận tốc, vẽ quỹ đạo chuyển động điểm thao tác 2.3Xác định quy luật chuyển động của các khâu 3.. Bài toán độn

- -BÁO CÁO

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Cơ khí

Bộ môn: Kỹ thuật cơ điện tử

Học kỳ: 1Giai đoạn: 1+2Năm học: 2022-2023

ĐỀ BÀI TIỂU LUẬN: ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Chữ ký sinh viên:

1 Phân tích lựa chọn cấu trúc

1.1Số bậc tự do cần thiết

1.2Phân tích một số cấu trúc thỏa mãn và lựa chọn phương án thiết kế

2 Bài toán động học

2.1Thiết lập phương trình quỹ đạo theo yêu cầu

2.2Tính toán vận tốc, vẽ quỹ đạo chuyển động điểm thao tác

2.3Xác định quy luật chuyển động của các khâu

3 Thiết kế 3D

3.1Tạo bản vẽ lắp tổng thể của robot

3.2Tạo bản vẽ chi tiết một số khâu của robot

3.3Mô phỏng lắp ráp và chuyển động của robot

4 Bài toán động lực học

4.1Xác định các tham số động lực học

4.2Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

4.3Giải bài toán động lực học thuận và ngược(*)

5 Thiết kế hệ thống dẫn động

5.1Lựa chọn động cơ dẫn động phù hợp

5.2Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động cho khâu dẫn

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em cam đoan rằng đồ án này hoàn toàn do chúng em tự tìm hiểu, tự làm theo hướng dẫn của thầy cô Các nội dung, kết quả đồ án này là trung thực và hoàn toàn chưa được công bố dưới bất kì hình thức nào

Trong đồ án có sử dụng kiến thức, các nhận xét, đánh giá và các thông số của các tác giả, cơ quan tổ chức mà chúng em tham khảo ở nhiều nguồn khác nhau,

có ghi rõ ở phần tài liệu tham khảo

Trường Đại học Thủy lợi không có liên quan gì đến những vi phạm bản quyền, quyền tác giả do chúng em gây ra trong quá trình làm đồ án

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trước tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất thầyTh.S Nguyễn Tiến Thịnh đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động viênchúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án này

Em xin trân trọng cám ơn đến tất cả các quý thầy cô thuộc bộ môn Cơ Điện

Tử trường Đại Học Thuỷ Lợi, những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản , cũng như đã nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt khóa học vừa qua Những góp ý, sửa chữa của thầy cô sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của em hoặc cũng có thể kiến thức mang đến trong bài đồ án này còn sai sót và chưa đúng Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó

Một lần nữa em xin cảm ơn

Trân trọng!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1 : Phân tích lựa chọn cấu trúc

1.1 Số bậc tự do cần thiết 7

1.2 Phân tích một số cấu trúc thỏa mãn và lựa chọn phương án thiết kế 9

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 Thiết lập phương trình quỹ đạo theo yêu cầu 12

2.2 Bài toán động học thuận Robot 12

2.3 Bài toán động học ngược Robot 17

Chương 3: Thiết kế 3D Robot

3.1 Bản vẽ lắp tổng thể chi tiết Robot 23

3.2 Khâu đế 24

3.3 Khâu 1 25

3.4 Khâu 2 26

3.5 Khâu 3 27

Chương 4: Bài toán động lực học

4.1 Xác định các tham số động lực học 28

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của Robot 28

Chương 5: Tính toán bộ truyền động robot

5.1 Tính toán động cơ khớp quay cho khâu 3 34

5.2 Tính toán động cơ khớp quay thứ 2 34

5.3 Tính toán động cơ khớp quay thứ 1 35

ĐÁNH GIÁ BẢN THÂN TRONG VIỆC THỰC HIỆN LÀM ĐỒ ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, cácngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiệnđại vào sản suất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năngsuất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Song song với sự phát triển đó,công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng đặc biệt là ở các nước pháttriển nhằm đáp các nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng…

Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện vàthậm chí không thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi độ chính xáccao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân , dò phá mìntrong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ…

“Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí – Robot” là một học phần bắt buộc trongchương trình Module 3 : Robot - Cơ điện tử, học phần giúp cho sinh viên bước đầulàm quen với việc thiết kế cơ khí của một hệ thống Robot cơ bản, ứng dụng phầnmềm CAD 2D/3D, mô phỏng nguyên lý hoạt động robot, giúp cho sinh viên nắmvững được các kiến thức cơ bản của các học phần và làm quen với nhiệm vụ củangười kỹ sư Có thể nói đây là học phần không thể thiếu được đối với sinh viênchuyên ngành Cơ điện tử

Với bố cục gồm 2 phần chính:

1.Tổng quan về robot

Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại

và ứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữudụng của nó tới cuộc sống

2 Tính toán thiết kế robot gắp vật

Bao gồm các bước thiết kế cho đến việc mô phỏng để kiểm chứng tính đúngđắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định cách

có thể một sản phẩm Robot được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống

Chương 1 : Phân tích lựa chọn cấu trúc

1.1 Số bậc tự do cần thiết.

Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot hàn đảm bảo thực hiện quỹ đạo trênmặt cung tròn

Ta có thể lập luận rằng:

Để khâu thao tác có thể di chuyển trên mặt cung tròn kia yêu cầu ít nhất phải

có 2 bậc tự do di chuyển Tuy nhiên chỉ với 2 bậc tự do kia thì đối tượng sẽ phải dichuyển robot đến vị trí thích hợp mới có thể đảm bảo thực hiện được hàn hoặc gắpvật, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận( hàn vật từ vị trínày đến vị trí khác, vào ra) thì yêu cầu thêm 1 bậc tự do nữa

Phải có ít nhất 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế

- Khâu 1 tịnh tiến theo Z1

- Khâu 2,3 tịnh tiến theo Z2,Z3

Số bấc tự do cần thiết : W = 3.n – (2.P5 + P4 – Rth) – Wđp

Trong đó :

W : số bậc tự do

n : số khâu động P5: số khớp loại 5 P4: số khớp loại 4 Rth : số ràng buộc thừa

Wth : số bậc tự do thừa

W = 3.3 – 2.3 = 3 (bậc tự do)

Dưới đây là 1 số cơ cấu dùng để xác định vị trí trong mặt phẳng làm việc:

phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT) Không gian làm việc của bàn tay

có dạng khối chữ nhật

Hình 1.1: Cơ cấu toạ độ đề các

Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc có dạng hình trụ rỗng Thường

khớp thứ nhất là chuyển động quay

Hình 1.2: Cơ cấu toạ độ trụ

Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu

Hình 1.3: Cơ cấu toạ độ cầu

1.2 Phân tích một số cấu trúc thỏa mãn và lựa chọn phương án thiết kế.

Một số dạng cấu trúc thỏa mãn:

Phương án 1: Robot 4DOF TTRR Phương án 2: Robot 3DOF RRR

Phương án 3: Robot 4DOF RTTR Phương án 4: Robot 4DOF TTRR

Phương án 5: Robot 4DOF RTRR Phương án 6: Robot 4DOF RTR

Phương án 7: Robot 3 DOF TTR Phương án 8: Robot 3 DOF RRT

*Lựa chọn phương án thiết kế:

Hình1.4: Robot 3 bậc tự do TRR

Với kết cấu 4,5,6 bậc tự do, Robot sẽ trở lên linh hoạt hơn tuy nhiên việc tínhtoán thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn Một phần nhu cầu của bài toán đặt ra cácphương án trên sẽ làm phức tạp thêm nhiều tốn kém.

Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toánđặt ra, ta lựa chọn phương án thiết kế 3 bậc tự do (phương án hình 1.4) có 2 khâuquay xác định định vị trí và bao quát các điểm trên mặt cung tròn, một khâu chuyểnđộng tịnh tiến để xác định tọa độ và điều chỉnh sự linh hoạt của mỏ hàn tránh va chạmtrong môi trường làm việc Do đó việc lựa chọn phương án này hoàn toàn thỏa mãnyêu cầu bài toán

Ưu điểm của phương án này so với các phương án khác thiết kế sẽ rất tối ưu với:+) Diện tích cho khâu thực hiện rất tiết kiệm

+) Xây dựng hệ thống điều khiển các khớp dễ dàng thuận tiện và gần như có thể độc lập

+) Kết cấu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 Thiết lập phương trình quỹ đạo theo yêu cầu

Phương trình dạng tham số của đường cung tròn AB:

Hình1.5: Quỹ đạo làm việc yêu cầu

Quỹ đạo là đường tròn, điểm thao tác chuyển động đều trên đường tròn vớivận tốc v

Tọa độ điểm thao tác E trên đường tròn R:

φr

E v

AI

y

B

2.2 Bài toán động học thuận Robot

Với không gian làm việc là 600x600x500(mm), chọn kích thước sơ bộ :

Bảng tham số động học D-H Craig của Robot:

Trong đó: q1, q2, q3 là các biến khớp ; l1,l2 là chiều dài khâu 1,2

Các ma trận D-H Craig địa phương:

;Các ma trận D-H Craig toàn cục:

;

;

Tọa độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định:

Tọa độ vị trí điểm thao tác E:

;

;Cho trước các quy luật chuyển động của các khâu, vẽ đồ thị quỹ đạo, vận tốc, gia tốc điểm thao tác robot

Chọn quy luật chuyển động của các khâu:

 Tọa độ điểm E theo biến t là:

 Vận tốc điểm thao tác cuối:

Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E:

;

Ta có đồ thị: (Hình 1.7)

Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E:

Sau đây là 1 số hình ảnh:

Hình 1.7: Đồ thị vận tốc điểm E

Hình 1.8: Đồ thị gia tốc điểm E

2.3 Bài toán động học ngược Robot

trong hệ quy chiếu cố định có dạng:

Giả sử điểm thao tác của Robot chuyển động đều trên cung tròn AB với vậntốc v0 = 0,1 [m/s] Trong đó cung tròn R thuộc mặt phẳng Oxy với tâm I(300,250,0) và R = 100(mm)

Phương trình xác định vị trí:

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác:

; (1)Trong phương trình trên ta đã biết, ,đã biết từ phương trình quỹđạo tìm,

Đạo hàm (1) theo thời gian:

(2)

;

Ta có biểu thức xác định vecto vận tốc suy rộng:

(3)Tiếp tục đạo hàm phương trình (2) theo thời gian ta được:

;

Ta có biểu thức xác định vecto gia tốc suy rộng:

(4)Giải phương trình động học ta được quy luật chuyển động của các khâu như sau:

Hình 1.9: Đồ thị các toạ độ suy rộng

Hình 2: Đồ thị toạ độ suy rộng q 1

Hình 2.1: Đồ thị toạ độ suy rộng q 2

Hình 2.2: Đồ thị toạ độ suy rộng q 3

Hình 2.3: Đồ thị các vận tốc suy rộng

Hình 2.4: Đồ thị các gia tốc suy rộng

Hình 2.5: Cấu hình Robot TRR

`

;

;Tọa độ khối tâm các khâu trong hệ quy chiếu gắn liền với khâu có dạng:

 Tọa độ khối tâm các khâu so với hệ quy chiếu cố định R0,

;Các ma trận Jacobi tịnh tiến của các khâu:

;

Từ các ma trận D-H Craig ta có các ma trận cô sin chỉ hướng của các khâu sovới hệ quy chiếu cố định:

;Vận tốc góc các khâu được tính theo công thức sau:

Từ vận tốc góc các khâu ta tính được các ma trận Jacobi quay:

Thay các ma trận Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay vào biểu thức:

Ta nhận được ma trận khối lượng suy rộng của robot:

Trong đó:

Ma trận ly tâm và Coriolis được xác định theo công thức:

Sử dụng phần mềm Maple ta tính được:

Chương 5: Tính toán bộ truyền động robot

5.1 Tính toán động cơ khớp quay cho khâu 3

Thông số đầu vào:

SolidWorks )

- Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 3 đến động cơ:

- Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 3 là:

- Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M 3 Ngoài ra loại động

cơ này cần có khối lượng nhỏ để giảm trọng lượng cánh tay robot

Hình 2.6: Động cơ Nema23

Vì vậy lựa chọn động cơ Nema 23 để thực hiện nhiệm vụ đặt ra

5.2 Tính toán động cơ khớp quay thứ 2

Thông số đầu vào:

mềm SolidWorks)

- Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 2,3 đến trục momen:

Như vậy tổng khối lượng của khâu 2 và khâu 3 là:

Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 2 là:

Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M 2

 Lựa chọn động cơ bước 57BYG250D

Hình 2.7: Động cơ 57BYG250D

5.3 Tính toán động cơ khớp quay thứ 1

Thông số đầu vào:

- Khâu 2, 3: 2,082 (kg)

- Khối lượng khâu 1: 6 (kg) (tính trong Solidworks)

- Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 1,2,3 đến trục momen:

- Như vậy tổng khối lượng của khâu 1 và khâu 2,3 là:

- Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 1 là:

- Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng

Lựa chọn động cơ bước 34HE46-6004D-E1000

Hình 2.8: Động cơ bước 34HE46-6004D-E1000

ĐÁNH GIÁ BẢN THÂN TRONG VIỆC THỰC HIỆN

LÀM ĐỒ ÁN

 Yêu cầu đồ án

Đối với phạm vi của Đồ án hệ thống cơ điện tử, em đặt ra yêu cầu cho hệ thống trong

đề tài này: Tính toán thiết kế robot 3 bậc tự do TRR.

 Mức độ hoàn thành

 Giải các bài toán động học, động lực học

 Hoàn thiện thiết kế 3D Solidworks cho robot

 Mô phỏng chuyển động của robot bằng Solidworks

 Xuất được các bản vẽ tách chi tiết cho từng khâu của robot

 Đã thể hiện được cấu hình của robot bằng đồ thị

 Những phần chưa được hoàn thành

 Bảng tham số động lực học của robot vẫn còn nhiều thiếu sót

 Chưa thiết kế được hệ thống dẫn động

 Chưa thiết kế được hệ thống điều khiển

 Hướng phát triển

 Cải tiến mô hình hoạt động với tốc độ hợp lý hơn, đảm bảo không gian hoạtđộng linh hoạt có thể di chuyển mọi ngóc ngách

 Xây dựng giải thuật hoàn chỉnh hơn

 Đảm bảo khả năng sang các hướng ổn định và giảm bớt tiếng ồn

 Đưa vào những thiết bị có độ chính xác cao, phân loại phôi bằng nhiềuphương pháp: xử lí ảnh, màu,…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[4] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, “Robot công nghiệp”(2006)

[5] GS TSKH Nguyễn Văn Khang, “Động lực học hệ nhiều vật”(2017)

[6] Nguyễn Quang Hoàng, “Cơ sở Matlab và Simulink”(2019)

[7] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tự động”(2009)

[8] Th.S Trương Quốc Bảo, “Bài giảng Ngôn ngữ lập trình Maple”, ĐH Cần Thơ [9] Hossein Sadegh Lafmejani, Hassan Zarabadipour, “Modeling, Simulation and Position Control of 3DOF Articulated Manipulator” (3, September 2014)

[10] Các website, forum trực tuyến như www.mathworks.com,

- Chương trình chính:

% Chuong trinh chinh giai bai toan dong hoc nguoc

close all; clear all; clc;

q1(i) = q(1); q2(i) = q(2); q3(i) = q(3);

dq = inv(jc)*dXYZE(t(i));

dq1(i) = dq(1); dq2(i) = dq(2); dq3(i) = dq(3);

plot(t,q1,'k-',t,q2,'b ',t,q3,'r-.','linewidth',1.5);gri

d on;

xlabel('t[s]');ylabel('q[rad]');

title('do thi toa do suy rong');

xlabel('t[s]');ylabel('dq/dt[rad/s]');

title('do thi cac van toc suy rong');

xlabel('t[s]'); ylabel('dq^2/dt[rad/s^2]');

title('Do thi cac gia toc suy rong');

figure(6)

plot(t,q3,'k-',t,dq3,'b ',t,d2q3,'r-.','linewidth',1); grid on

plot3(RO2(1),RO2(2),RO2(3),'ob-','linewidth',1);

plot3(RO3(1),RO3(2),RO3(3),'ob-','linewidth',1);

plot3(RE(1),RE(2),RE(3),'or-','linewidth',1);

title('Cau hinh Robot');

xlabel('Truc x');ylabel('Truc y');zlabel('Truc z');

axis equal

- Vẽ quỹ đạo điểm làm việc:

close all ; clear all; clc ;

plot(xE , yE , 'k', 'linewidth' , 2); grid on

plot(xA , yA , 'ob', 'linewidth' , 2); grid on

plot(xB , yB , 'om', 'linewidth' , 2); grid on

plot(xI , yI , 'or', 'linewidth' , 2); grid on

xlabel('x'); ylabel('y');

legend('Quy dao lam viec' , 'Diem A' , 'Diem B' , 'Diem I');

axis equal

- Vận tốc và gia tốc góc:

close all;clear all;clc;

t=linspace(0,5,1000);

VEx = -0.005*cos(0.1*t) - 0.039*cos(0.3*t);

VEy = -0.078*sin(0.3*t) - 0.018*sin(0.1*t);

VEz = 0.052*cos(0.2*t)+0.05;

aEx = 0.0005*sin(0.1*t) + 0.0117*sin(0.3*t);

aEy = -0.0234*cos(0.3*t) - 0.0018*cos(0.1*t);

legend('VEx','VEy','VEz');

title('Do thi van toc diem E');

figure(2)

plot(aEx,t,'r ',aEy,t,'k',aEz,t,'b','linewidth',1);

grid on

xlabel('a');ylabel('t');

legend('aEx','aEy','aEz');

title('Do thi gia toc diem E');

- Tìm q:

clear all; clc;

syms x y z

pt1=-sin(y)*cos(z)*0.26-sin(y)*0.18 -0,2 == 0;

pt3=sin(z)*0.26 + x == 0;

[x y z] = solve(pt1,pt2,pt3,x,y,z)

- Thông số Robot:

% Cac thong so cua robot

close all ; clear all ; clc;